Почему скалы выветриваются частоколом?

Вдоль берега Лены тянется стена из тесно стоящих каменных колонн — будто кто-то нарезал скалу на вертикальные столбы. Камень здесь древнейший: это бывшее морское дно, в котором находят трилобитов и археоциат — одних из первых сложных животных. Возраст породы — около 540 миллионов лет. А вот сами столбы куда моложе: им всего около 400 тысяч лет. Получается важная вещь: возраст камня и возраст его формы — это совсем разные вещи. Породе сотни миллионов лет, а нынешнюю форму ей придал мороз — и сравнительно недавно.

1. порода — 540 млн лет: бывшее морское дно
2. форма — 400 тыс. лет: её вырезал лёд
3. вода замерзает в трещине и расклинивает камень
4. трилобиты в нижних слоях

Резал камень не резец, а вода со льдом. Как именно — в разделе «Как это работает».

Известняк здесь пронизан сетью вертикальных трещин. Кажется, что трещина — это изъян, но для геолога это подсказка: камень сломается именно там, где уже ослаблен. И за дело берётся морозное расклинивание.

Вода при замерзании увеличивается в объёме примерно на 9% — лёд занимает больше места, чем вода, из которой он возник. Затёкшая в трещину вода замерзает и распирает её. Больше того: растущая ледяная линза подтягивает к себе воду из соседних пор, разрастается и давит на стенки трещины изнутри, как клин. Одного цикла мало, но за тысячи циклов «замёрзло–оттаяло», год за годом, камень неотвратимо раскалывается по этим линиям¹. Так массив и распадается на отдельные столбы.

1. тысячи циклов замерзания за тысячи лет
2. вода затекает в трещину
3. лёд расширяется на 9 % и распирает
4. камень раскалывается

Где работает тот же закон?

Тот же лёд-клин рвёт асфальт весной (отсюда ямы на дорогах), выпучивает грунт морозным пучением, крошит горы в осыпи и разрушает кирпич сырых стен. Везде, где есть вода, поры и переходы через ноль, расширение льда на 9% медленно, но верно ломает твёрдое.

Будущая форма столба задана не морозом, а трещинами Форма столбов предопределена системой трещин в самом известняке — осадочной горной породе, образованной из остатков древних морских организмов.

Такие трещины (геологи называют их отдельностью) возникают, когда порода рвётся под растягивающим напряжением: от тектонического растяжения слоёв и от разгрузки, когда вышележащие слои размываются, а массив упруго расширяется¹. Каждая такая трещина служит потенциальной поверхностью раздела будущих блоков.

При замерзании вода расширяется примерно на $9\%$, поскольку плотность льда меньше плотности воды. Это расширение создаёт значительное давление внутри трещин, способствуя их дальнейшему раскрытию и разрушению породы. Давления такого рода могут достигать величин, достаточных для разрушения даже самых твёрдых горных пород.

Связь с объектом Именно благодаря такой системе трещин в известняке Ленские столбы приобрели свою уникальную форму. Каждый столб представляет собой блок, ограниченный системой пересекающихся трещин. Чем чаще расположены трещины, тем тоньше получаются столбы. Поэтому внешний вид массива определяется не только внешними факторами вроде морозного расклинивания, но и внутренней структурой породы. Сколько это в числах Столбы поднимаются над Леной на 100–220 метров, а слагающие их известняки и доломиты отложились в кембрии, около 540–500 миллионов лет назад — на дне тёплого моря. Всё, что случилось потом, лишь вырезало форму из готового материала.

Оценим силу, с которой работает лёд. При замерзании вода расширяется на 9 %, и если расширению мешать, давление в замкнутой полости теоретически доходит до сотен мегапаскалей — это на порядок больше предела прочности известняка на растяжение (5–15 МПа). На практике до таких величин дело не доходит: часть воды выдавливается наружу, часть остаётся незамёрзшей плёнкой. Но и десятой доли хватает. Каждый цикл раскрывает трещину ничтожно: если на 3 мкм, то при ста циклах в год (переходы через ноль весной и осенью) это 0,3 мм в год и около 0,3 м за тысячу лет. Доли миллиметра за цикл дали бы десятки метров за тысячелетие, а так быстро скалы не распадаются.

Откуда у льда такая сила. Лёд при температуре ниже нуля давит на стенки сильнее, чем окружающая вода, примерно на 1,1 МПа на каждый градус ниже нуля (так следует из уравнения Клапейрона: $\Delta p = L\rho_{\text{л}}\Delta T/T_0$, где $L = 334$ кДж/кг — теплота плавления льда, $\rho_{\text{л}} = 917$ кг/м³, $T_0 = 273$ К). На −5 °C это около 6 МПа, на −10 °C около 11 МПа, то есть сравнимо с пределом прочности известняка на растяжение. Морозное растрескивание идёт при −3…−8 °C, если в породе есть вода², и ему не нужна замкнутая полость с давлением в сотни мегапаскалей.

Что предполагается и где это ломается

1. Трещина считается замкнутой — иначе вода при замерзании просто выжмется вверх и распора не будет. Работают только те трещины, где лёд успевает запечатать выход.
2. Расчёт изотермический: предполагается, что фронт промерзания идёт медленно и лёд успевает нарастать. При резком выхолаживании картина иная.
3. Мороз — не единственный резчик. Известняк растворяется в воде, подкисленной углекислым газом, и по тем же трещинам идёт карстовое растворение. Разделить вклады трудно: оба процесса используют одну и ту же сеть трещин, доставшуюся породе от тектоники.

О чём спорят Соотношение вкладов мороза и растворения в формировании столбов оценивают по-разному. Одни работы отводят главную роль морозному расклиниванию, ссылаясь на резко континентальный климат и сотню циклов в год; другие — растворению, указывая на характерные карстовые формы в тех же обнажениях. Спор не праздный: от ответа зависит оценка возраста рельефа. Если ведущий процесс — мороз, столбы моложе и сформировались в основном за последние сотни тысяч лет; если растворение — их история заметно длиннее.

Открытый вопрос Хотя мы понимаем основные механизмы образования Ленских столбов, остаются вопросы о том, как климатические изменения повлияют на скорость эрозии. Например, повышение средней температуры зимой может увеличить количество циклов замораживания-размораживания, ускоряя разрушение скал. Однако точное прогнозирование этого эффекта требует детального изучения местных микроклиматических условий и особенностей гидрологического режима реки Лены.